Способ управления протезом сердца с активным предсердием и устройство для реализации способа

 

с .с.. с., з

Союз Советсиик

Социалистических

Республик

О П С -А--Н--М :

ИЗОБРЕТЕНИЯ п>764680

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт, свид-ву с (22) Заявлено 310578. (21) 2622225/28-13 (51)М. Хл.3

А 61 М 1/03 с присоединением заявки №Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) ПриоритетОпубликовано230980 Бюллетень ¹ 35

I (53) УДК 615.475 (088. 8) Дата опубликования описания 230980 (72) Автор .изобретения

Л.П.Панкова (71) Заявитель (54). СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОТЕЗОМ СЕРДЦА С АКТИВНЫМ

ПРЕДСЕРДИЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА

Изобретение относится к сердечной хирургии и может быть использовано при полном замещении естественного сердца и при вспомогательном крово5 обращении.

Известен способ управления протезом сердца, заключающийся в подаче давления в пневмокамеры желудочка протеза сердца (1).

Известно устройство для реализации способа (1), содержащее сервомеханизм давления и вакуума, генератор функции с программным заданием формы волны и с ручным заданием частоты, датчик объема крови в желудочке, задатчик уровня и подключенный к входу сервомеханизм, интегратор, образующей обратную связь по объему крови в желудочке, датчик давления крови 20 в предсердии, задатчик давления, усилитель-интегратор, электронный умножитель, подключенйый к амплитудному выходу генератора функции и к выходу усилителя-интегратора, при этом вы- 25 ход электронного умножителя подключен к входу сервомеханнзма давления и вакуума.

В известном устройстве величину давления и вакуума формируют по ус редненной величине давления в предсердии.

Реализация способа затруднена изэа отсуствия надежных в работе датчиков давления крови в предсердии.

Известен способ управления .протезом сердца с активным предсердием путем изменения давления в пневмокамерах предсердия и желудочка (21.

Известно устройство для реализации способа, содержащее источник давления, соединенный через пневмораспределитель с пневмокамерами предсердия и желудочка и блок управления (2).

В известном устройстве зависимость между давлением и объемом крови в предсердии носит нелинейный характер.

В условиях черезмерно высоких и низких давлений в предсердии в моменты приближения диафрагмы предсердия к стенке корпуса пневматической камеры возникают пульсации давления и расхода крови.

Это приводит к нестабильности производительности, к неустойчивой работе протеза сердца, следовательно, к неадекватности .расходных характеристик характеристикам естественного сердца.

764680 где P — давление в пневмополости

40 и предсердия;

P — давление в пнвмополости желудочка;

cons t;

45 соответствует крутизне на2 клона статической характеристикй предсердия;

Ч, - объем предсердия.

Для получения зависимости (1) сни50 мают характеристику взаимосвязи между давлением и объемом крови в предсердии 3 протеза 1 (см. фиг. 2). Эта зависимость представляет собой нелинейную кривую третьего порядка.

Линеаризовав эту кривую, получают трк прямолйнейных участка с разной крутизной наклона.

Величина линейной зоны зависит от параметров диафрагмы предсердия площади, толщины, величины рабочего

d0 хода и упругости, которые подбираются так, чтобы линейная. эона была максимальной.

Рраничные значения линейной зоны определяют уставки объемов предсер65 дик, при которых производят подачу

Пневмокамера 7 желудочка 2 сообщена c пневмораспределителем 16 давления и вакуума, выполненным в виде сервомеханизма.

" В системе имеется функциональный регулятор 17, формирующий закон упра.нфения. " Для задания (выбранных по характеристике взаимосвязи между давлением к объемом) граничных значений объ-. емов в. системе имеются задатчики малыХ 18 и предельных 19 объемов предсердия .:

Контроль объема крови в желудочке производят датчиком 20 объема крови в желудочке 2, Объем крови в предсердкк контролируют датчиком 21 объема крови.. Цель иэобретеййя - приближение расходных характеристик к характеристикам естественного сердца. Поставленная цель достигается тем, что давление изменяют по закону

P К Ч

Р

I где Рп - давление в пневмополости предсердия;

Р®, — давление в пневмополости желудочка

cons t;

l< — соответствует крутизне нак2 лона статической характеристики предсердия;

Чц - объем предсердия.

Устройство снабжено датчиком объема крови в предсердии и функциональным регулятором; при этом датчик объема крови связан через функциональ- ный регулятор с пневмораспределителем пневматической камеры предсердия и блоком управления.

На фиг. 1 представлено устройство, реализующее предлагаемый способ; на фиг. 2 — характеристика взаимосвязи между объемом и давлением крови в предсердии.

Протез.1 сердца выполнен в виде. четырехкамерной модели, каждая половина которой содержит желудочек 2 и предсердие 3, разделенные подвижнымк диафрагмами 4 на кровяные камеры 5,6 и пневмокамеры 7,8. Входной патрубок

9 протеза сердца предназначен для связи венозного русла с кровяной камерой 6 предсердия 3.

Выходной патрубок 10 предназначен для связи кровяной камеры 5 желудочка

2 с артериальным руслом пациента.

Кровяные камеры 5,6 желудочка 2 и предсердия 3 разделены перегородкой 11 со встроенными входными клапанами 12. Штуцера 13 и 14 служат для подачи давления в пневмокамеры

7,8.

Сигнал давления в пневмцкамеру 8 пРедсердия 3 подводят от пневмораспределителя 15.

В системе имеется эадатчик уровня

22, задатчик 23 програмы формы волны и эадатчик частоты 24 . Сигнал формируется генератором функции 25.

Выход датчика 21 объема крови предсердия 3 подключен к входу функционального регулятора 17. Последний выполнен в виде двух нелинейных звеньев 26, 27, коэффициенты усиления отарых .решены в соответствии с хаактеристикой взаимосвязи между давлением и объемом крови в предсердии.

Выход нелинейного звена 27 и значение уставки задатчйков давления 28 сравниваются между собой. Суммарный выход подключен к входу усилителяинтегратора 29, предназначенного для формирования входного сигнала требуемой крутизны. Выход усилителя-интегратора 29 и амплитудный выход гене- ратора функции 25 подключены к входу электронного умножителя 30.

Усилитель-интегратор 29, генератор функции и электронный умножитель

30 образуют блок управления 31.

В системе предусмотрена оптимизация давления, поданного в пневмокамеру

7 желудочка 2, реализуемая датчиком

20 объема крови в желудочке 2, задатчиком уровня 22 и интегратором. 32.

Таким образом, для реализации способа используется нелинейная .система, кнвариантная по отношению к входкым и выходным возмущениям.

Способ заключается в следующем.

Давление в пневмокамерах 7, 8 желудочка 2 и.предсердия изменяют по закону.

Р =К Ч„; к Чп

764680

30

55 сигналов в пневмокамеры 7, 8 желудочка 2 и предсердия 3.

Взаимосвязь, представленная на фиг. 2, определяется статической жесткостью диафрагмы, предсердия, смещенной по оси ординат на величину сопротивления магистрали, сообщающей

Йневмокамеру 8 предсердия 3 с атмосферой. Это значит, что зная сопротивление магистрали, сообщающей пневмокамеру предсердия с атмосферой, давления крови в предсердии можно определить, контролируя объем крови s предсердии с помощью датчика 21 объема крови предсердия 3.

Для получения устойчивой работы протеза сердца необходимо, чтобы зависимоСть между объемом крови и дав лением носила линейный характер.

Это может быть достигнуто путем подачи сигнала давления в пневмокамеру 8 предсердия в систолу и путем изменения вакуума, подводимого в пневмокамеру 7 желудочка в соответствии с характеристикой (по фиг. 2) .

В этом случае можно либо остановить диафрагму предсердия при достижении объемов, соответствующих граничным значениям линейной эоны, либо, при соответствующем выборе объема пневмокамеры предсердия обеспечить полный ход диафрагмы. Во втором случае в пневмокамеру предсердия подается давление в соответствии с характеристикой по фиг. 2. Закон управления в этом случае выражен в виде отрезка прямой, симметричной характеристике относительно линии, параллельной оси абцисс и смещенной по оси ординат на величину давления, соответствующего предельно большому граничному значению объема линейной части.

Иа основе характеристики взаимосвязи между давлением и объемом формируют закон управления, заложенный в функциональном регуляторе 17.

При работе протеза 1 сердца кровь из венозного русла через входной патрубок 9 поступает в кровяную камеру б предсердия 3 и в диастолическом режиме - через входные клапаны 12 в желудочек 2.

Далее происходит ударный выброс крови из желудочка.

Величина вакуума при диастолическом наполнении желудочка и даВления, при систолическом выбросе формируются по сигналу об объеме крови, кон-. тролируемому датчиком 21 объема крови предсердия 3.

Сигнал с датчика 21 поступает на вход функционального регулятора 17, выполненного в виде двух нелинейных .звеньев 26 и 27, коэффициенты усиления которых решены в соответствии с зонами для малых или пределных объемов характеристики предсердия (см. фиг 2). На выходе функционального ре(гулятора 17 формируется сигнал, npo-. порциональный давлению в предсердии.

Коэффициент усиления нелинейного звена 26 равен k„, коэффициент усиления нелинейного звена 27 соответствует величине К

Когда уравнение ведется в пределам линейной эоны, электрический сигнал на выходе нелинейного звена 27 сравнивается с уставкой давления, эадава« емой задатчиком.давления 28. Уставха соответствует величине давления при нулевой производительности. Полученный сигнал рассогласования поступает ва вход усилителя-интегратора 29, ко-. эффициент усиления которого соответствует крутизне зависимости проиэво(5 дительного сердечного насоса от входного предсердного давления.

Выходной сигнал усилителя-интегра тора 29 и амплитудное значение заданной функции от генератора функции 25 перемножаются на электронном умножителе 30. Сформированный таким образом сигнал управляет величиной и вакуума, подводимого в пневмокамеру желудочка.

Нелинейное, звено 26, подключенное к выходу датчика 21, задает коэффициент усиления на пневмораспределитель 15, подключенный к пневмокамере предсердия 3.

Если на выходе датчика объема крови в предсердии присутствует сигнал, соответствующий линейной зоне характеристики по фиг. 2, то пневмораспределитель 15 сообщает пневмокамеру предсердия с атмосферой.

В пневмокамеру желудочка поступает сигнал вакуума во время.диастолы, сформированный по линейной зависимости от давления на входе.

При этом величины наполнения и ударного выброса зависят от усредненного значения входного давления. Частота подачи сигналов (время систолы и время диастолы) задается при этом вручную.

Величина давления оптимизируется с помощью обратной связи по объему крови в желудочке, выполненной в виде датчика 20 объема крови в желудочке 2, интегратора 32 и задатчика уровня 22 блока управления 31.

Прй черезмерно низких входных дав лениях для объемов предсердия, границы которых определяются задатчиком малых объемов 18 (см. фиг. 2, зону характеристики до линейной), коэффициент .усиления нелинейного звена 27 логического блока 17 изменяет величину, становясь равным по величине и противоположным по знаку крутизне характеристики предсердия для объемов преДсердия до уставки малых объемов. Подводимиый в пневмокамеру же" лудочка 2 от пневмораспределителя 16 вакуум уменьшается по величине, от-. жимая диафрагму предсердия от пере-, городки 11 с входными клапанами 12.

764680

Таким образом устраняется соприкосно вение диафрагмы предсердия с перегородкой и спадение венозного pyczа ° ,Управление наполнением желудочка при этом не выходит за линейную зону.

С физиологической точки зрения это значит, что при денонировании крови и снижении венозного притока уменьшается величина диастологического-.-наполнения желудочка.

В случае увеличения входного давления до величины, большей уставки пре- 1О деЛьных объемов, т.е. в случае повышенного венозного возврата, пневмораспределитель 15 по сигналу задатчика предельных объемов 19 прерывает сообщение пневматической камеры пред- (5 сердия с атмосферой и от пневмораспределителя 15 в пневматическую камеру Поступает пневмосигнал давления.

Коэффициент усиления по давлению, задаваемый нелинейным звеном 26 ло- 2О гического блока 17, симметричен (относительно оси абцисс или прямой, параллельной оси абцисс) крутизне наклона характеристики (см. фиг. 2) после уставки предельных объемов..

Таким образом зависимость между давлением и объемом при любом веноэном возврате становится линейной.

Способ может быть реализован с . помощью регуляторов давления или вакуума с пропорцибнальным илй програм- 30 мным управлением. Это может быть регулятор гира сопло — заслонка, сопла которого сообщены с источниками.давления и вакуума, а угол поворота заслонки управляется электромагнитным 35 преобразователем.

Предложенный способ обеспечивает выбор максимальной рабочей зоны (линейной) управления по веноэному воз" врату и, как следствие, повышение чувствительности к венозному воз—

BpaTV. Это приводит к стабильной и надежной работе сердечного насоса и его высокой производительности.

Формула изобретения

1. Споооб управления протезом сердца с активным предсердием путем изменения давления в пневмокамерах предсердия и желудочка, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью приближения расходных характеристик к характеристикам естественного сердца, давление изменяют по закону.

Ря К р, Рж = К Ч„., где Рп - давление в пневмополости предсердия; . Р. - давление в пневмополосхи желудочка;

К„- const.;

К - соответствует крутизне наклона статической характер ристики предсердия;

V> — объем предсердия;.

2. Устройство для реализации способа по п. 1, содержащее источник давления, соединенный через пневмораспределитель с пневмокамерами предсердия и желудочка и блок управления, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оноснабжено датчиком объема крови в предсердии и функциональным регулятором, при этом датчик объема крови связан через функциональный регулятор с пневмораспределителем пневмокамеры предсердия и блоком управления.

Источники информации, прийятые во внимание при экспертизе

1. Gardiac Engineering. Кросби Управление искусственным сердцем, 1970, с. 89 - 114.

2 . Авторское свидетельство СССР Ф 520010, кл. A 61 И 1/03,1974. г

764680 дия

Фиг.2

Составитель В. Корельский

Техред Т.йаточка Корректор В. Бутяга ю

Редактор П. Горькова ч

Заказ 6379/5 Тираж 673

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r, Ужгород, ул. Проектиая, 4

Подписное